天气预报壶的原理?
这是一个关于物理的问题,需要从空气分子的运动和温度的关系讲起。 首先明确一点,任何自然现象都是大量分子、原子等微观粒子集体行为的表现,因此不能忽视它们的宏观表现。 温度是物体内部分子的运动剧烈程度的量度,所以分子运动越剧烈,物体的温度就越高;反之,物体温度低。 但实际上对高温物体的描述不能用粒子的运动来解释——高温物的内部分子运动剧烈到一定程度使得整个物体表现出强烈的宏观热传导作用(比如物体温度分布均匀),而这种传导又使得内部的运动状态不再明显表现出来,形成了表面加热的现象。此时高温物表现出的是一个动态平衡的特征,即有源源不断的内能转化为机械能的形式,表现为高温物持续发热。而将这种动态平衡特征用一个参数表示的话就是热力学温标T=\frac{1}{k}\int_{0}^{t}{\dot{Q}}dt 其中\frac{1}{k}是一个常数,\dot{Q}是单位时间内微观粒子动能的变化量(宏观上体现为热量)。当物体内分子完全停止运动(微观上表现为所有分子动能都为零)时,它的温度等于2.73K,这就是绝对零度。任何高于绝对零度的温度都可以用这个公式来近似表示。 而一个气体中所有分子运动的宏观叠加效果决定了这个气体的温度和压强。对于理想气体,微观上每个分子都处于热平衡状态,宏观上表现为各部分温度相同,且与外界没有热流通路。这时决定气体性质的状态参量就只有压强\sigma 和体积V了:p=\frac{\sigma}{V} 当然实际气体远远不像理想气体那么完美,会存在能量损失导致分子平均动能下降,从而造成温度升高,但总的趋势是由分子的无规则运动导致的温度升高被分子的取向排列所抵消,从而维持了气体的状态.
现在来看气压计的工作原理就很清楚了:当一个密闭容器内的气体温度上升引起压强增大时,如果气压计的玻璃泡受到的外界大气压保持不变,则玻璃管中的液柱高度增加。为了保持体积不变,就需要有更大的外力挤压液体,从而通过连接的杠杆带动指针偏转,显示温度变化。 如果把一根温度计放入两个容器中,其中一个充入被测气体,另一个作为参考,就可以比较方便地测量出气体温度。但如果只能提供一个温度计,怎样测量未知液体的温度呢?
1654年法国物理学家托里拆利最早用实验方法解决了这个问题。他让液体的一部分气体先膨胀,用温度计测出其温度,再让剩余气体全部膨胀,测量其温度,根据两次温度的差距即可知道被测液体的温度。这就是托里拆利原理,它利用了不同气体(或液体)分子间相互作用的不同,以及分子无规则运动的强弱。 后来人们发现了晶体热胀冷缩的特性,又发明了比托里拆利更为精密的差分法。现代实验室往往都用差分法结合电子计算机来精确测量极微小的温度变化。